【正文】 oft starter hardware circuit design. This article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts achieve improved threephase asynchronous motor starting performance requirements. In asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the motor can be stable and reliable. Keywords： Asynchronous Motor。 Soft StarterXX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 研究 的目的、意義 三相 異步電動(dòng)機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、很少需要維護(hù)及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前大部分工業(yè)拖動(dòng)都是以交流異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，包括風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、壓縮機(jī)等。 通常要求采用專門(mén)的啟動(dòng)設(shè)備完成正常的啟動(dòng)工作 ， 尤其頻繁啟動(dòng)時(shí)更是如此。電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)反電勢(shì)為零，所以起動(dòng)電流很大。啟動(dòng)電 流過(guò)大時(shí) ， 將使電動(dòng)機(jī)本身受到過(guò)大電磁力的沖擊 ， 如果經(jīng)常啟動(dòng) ， 還有 使 繞組過(guò)熱的危險(xiǎn)。 還有 ，由于起動(dòng)應(yīng)力較大，出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生 劇 烈的沖振，并且也給用作動(dòng)力傳輸輔助設(shè)備和做功機(jī)械設(shè)備帶來(lái)不可避免的機(jī)械沖擊。因此，對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 軟 起動(dòng) 情況 進(jìn)行研究是非常有 現(xiàn)實(shí) 意義的。比較傳統(tǒng)和應(yīng)用較普遍的有變壓器降壓起動(dòng)，串電抗器起動(dòng)和 Y/△ 轉(zhuǎn)換等等。 近幾年來(lái) 隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 ， 國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出以晶閘管為核心的電路元件、以單片機(jī)為控制核心的異步電動(dòng)機(jī)軟啟 動(dòng)設(shè)備 。采用電力半導(dǎo)體器件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制的電力電子軟啟動(dòng)器解決了傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)方法存在的二次電流沖擊問(wèn)題 ， 具有無(wú)觸點(diǎn) 、 啟動(dòng)電流及啟動(dòng)時(shí)間可控 、 啟動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn) ， 并且維護(hù)工作量小 ， 具備完善的電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。它不僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中 實(shí)現(xiàn) 無(wú)沖擊而平滑地啟動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過(guò)程中的參數(shù)，如限流值、啟動(dòng)時(shí)間等。 本文詳細(xì)介紹三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)。但由于國(guó)內(nèi)自 主 開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力相對(duì)較弱，對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴還 是 很嚴(yán)重。所以在整個(gè)軟起動(dòng)器市場(chǎng)上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所占的份額 還是 很低。機(jī)械式啟動(dòng) 器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱電流的 3~4 倍，且 有 體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無(wú)法適應(yīng) 惡劣 環(huán)境等諸多弊端 。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小 等 特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。 隨著 這些 技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子軟起動(dòng)裝置也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用這 些 方法可以使 三相異步 電動(dòng)機(jī)獲得很好的起動(dòng)性能。如美國(guó) AB 公司、英國(guó) CT 公司、法國(guó) TE 公司、德國(guó) AEG 公司、瑞士 ABB 公司等均推出了軟起動(dòng)器系列產(chǎn)品，如 GE 公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到 850kW，額定電壓 500V，額定電流 1180A，最大起動(dòng)電流 5900A； ABB 公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到 1200kW，額定電壓 690V，額定電流 1000A；意大利 SIEI 工公司生產(chǎn)的額定電壓 690V，額定電流 1600A；美國(guó) BS 公司還生產(chǎn)中壓 6~ 步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，最大功率達(dá)到 10000kW[2]。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候， 才 使用變頻軟起動(dòng)。 例 如 GE 公司生產(chǎn)的ASTAT 智能電機(jī)軟起動(dòng)器； ABB 公司生產(chǎn)的 PST、 PSTB 系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司的 ATS46 軟起動(dòng)器；德國(guó) SIEMENS 公司的 3RW22 SIKOSTART 軟起動(dòng)器等等。 另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 異步電動(dòng)機(jī) 向更加可靠、方便性 好 、小型化方向發(fā)展。為了保證 系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行， 可以 充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控 。 在三相交流異步電動(dòng)機(jī)不宜采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動(dòng)、 Y△ 啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、晶閘管電子軟啟動(dòng)、分級(jí)變頻軟啟動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)等方法。 (2)對(duì)三相晶閘管軟起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。 (3)實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì) 和 軟件的有關(guān)設(shè)計(jì)。 本課題的目標(biāo)是 實(shí)現(xiàn)三相 異步電機(jī) 的軟啟動(dòng) ， 甚至 使軟啟動(dòng)器 能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載的實(shí)際情況改變 。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器因?yàn)榫哂行阅芰己?、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。對(duì)于電 動(dòng) 機(jī)的 軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。 三相 異步電動(dòng)機(jī)的 T 形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖 21 所示： X 2 r 2x 1r 1x mr mi 1 i 2i mu 11 ssr 2 圖 21 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路 其中， r1為定子繞組的電阻， x1為定子繞組的漏電抗， r2為歸算到定 子 方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻， x2為歸算到定子方面 的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。 U1 為定子電壓向量， E1 為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量， i1為定子電流向量 ， im為磁 電流向量。 mmm m mE I Z I r jx? ? ? ?? ? ? ? ? ? (24) 由以上四式可得： 2211 1 21 1 239。139。mmmmr jxsr j xIUr j x rr j x j xr j x s???? ?????? ? ? ?????? (25) 在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)?r1x1， rmxm，故可以省去 r1， rm，則式 (25)可以表示為： 1121 1 239。 )mmUIIxrr jx jxxs??????? ? ? ????? (26) 由 等效電路可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)輸入的電功率 P1 一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗 Pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗 PFe，剩余的通過(guò)氣隙 傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功耗 Pem。 39。 39。 /emP m E I m I r s? ? ? (27) 電磁轉(zhuǎn)矩為： ? ? 0(1 )1m e c m e c e mem P s P PT s?? ? ?? ? ? ? (28) 其中， 110 2 260nfp?? ? ? ?為同步角速度； 260n??? 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度； Pem 為機(jī)械 功率。39。 39。)UIrr x xs?? ? ? (210) 將式 (210)代入 (29)得： XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ? ?2 211221 21 1 239。 39。239。stpm U rT fr r x x?? ??? ? ??? (212) 同時(shí)，由于激磁電流相對(duì)較小即 0mI? ? ， 11 mxx???????近似為 1，由式 (26)的啟動(dòng)電流為： ? ? ? ?1222 1 239。st UI r r x x? ? ? ? (213) 由式 (212)和式 (213)可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定子電壓。 而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載 快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動(dòng)電流不要太大。 下面針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，分析 起動(dòng)方式的原理和應(yīng)用。 下面就分別做 詳細(xì) 介紹。起動(dòng)時(shí)通過(guò)一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓 (即全壓 )直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額 定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。根據(jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量，某些籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流甚至可以達(dá)到 8～ 12 倍。然而這種起動(dòng)方法有 諸 多不足。這是因?yàn)?Ts及 Tm均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使 Ts 及 Tm 均下降到低于 Tz。如果功率大于7． 5kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動(dòng)機(jī)也可允許直接起動(dòng)。 M3~FU1 FU2FU3KM 圖 22 直接啟動(dòng)原理圖 傳統(tǒng) 減壓起動(dòng) 減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓， 待 起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。因此，減壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況 。由三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場(chǎng)合。 如圖 23 所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，合上開(kāi)關(guān) Q，交流接觸器 KM 斷開(kāi)，使電源經(jīng)電阻或電抗 R 流進(jìn)電機(jī)。 K MM3~F U 2F U 3F U 1RF RQU V W 圖 23 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖 (2)星 三角形 (丫 △ )起動(dòng) 星 三角形起動(dòng)法是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組為星形 (丫 )接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組切換為三角形 (△ )接法，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動(dòng) 方式 。 圖 24 為星 三角形起動(dòng)法的原理圖。 KM2 閉合時(shí)，定子繞組為星形 (丫 )接法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。由控制電路中的時(shí)間繼電器 KT 確定星 三角切換的時(shí)間。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。 圖 25 所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路。按啟動(dòng)按鈕后 KM1 線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓器線圈接成星形，與此同時(shí)由于 KM1 輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得接觸器 KM2 線圈通電吸合， KM2 的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭 (例如 65％ )將三相電壓的 65％接入電動(dòng)。自耦變壓器一般有 65％和 80％額定電壓的兩組抽頭。 自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式 (丫接法或△接法 )的限制，允許的起動(dòng)電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇 ； 缺點(diǎn)是 質(zhì)量大 、 體積大、價(jià)格高、維護(hù)檢修 費(fèi)用高 。在電動(dòng)機(jī)定子回路 中 ，通過(guò)串入限流作用的電力器件實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，叫做降壓或者限流軟起動(dòng)。按限流器件不同可分為：以電解液限流的液阻軟起動(dòng)；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動(dòng)。 10 年前，電氣工程界就有人 預(yù)言 ，晶閘管軟起動(dòng)將引發(fā)軟起動(dòng)行業(yè)的一場(chǎng)革命。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動(dòng)。 但是晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 軟起動(dòng)的原理及分析 晶閘管調(diào)壓原理 晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作 為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓，用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來(lái)控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來(lái)維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問(wèn)隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的電流 沖擊，可能危及晶閘管的安全。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能起到調(diào)壓的作用。其情況與 ? =0 時(shí)一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個(gè)方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對(duì)晶閘管造成危害。 本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實(shí)現(xiàn) 軟起動(dòng)的各種功能。用三組反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。 由于主電路中沒(méi)有中線，因此在工作 時(shí)若要負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。為了保證在電路起始工作時(shí)有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用了能夠產(chǎn)生大于 60176。 要實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)，需要控制電機(jī)的輸入電壓，使其按照某 種曲線由小到大逐漸上升。該電路的調(diào)壓實(shí)質(zhì)是對(duì)電源電壓進(jìn)行斬波。晶閘管任意一相的 電壓波形如圖 27 所示，其中電網(wǎng)電壓的波形是完整的正弦波， ? 是晶閘